Vapeur humide
La vapeur humide est caractérisée par la qualité de la vapeur , qui va de zéro à l’unité – intervalle ouvert (0,1). Lorsque la qualité de la vapeur est égale à 0, on parle d’état de liquide saturé (monophasé). Par ailleurs, lorsque la qualité de la vapeur est égale à 1, on parle d’état de vapeur saturé ou de vapeur sèche (monophasée). Entre ces deux états , on parle de mélange vapeur-liquide ou vapeur humide ( mélange à deux phases). À pression constante, un apport d’énergie ne modifie pas la température du mélange, mais la qualité de la vapeur et le volume spécifique changent. Dans le cas de secvapeur (qualité 100%), il contient 100% de la chaleur latente disponible à cette pression. L’eau liquide saturée, qui n’a pas de chaleur latente et donc 0% de qualité, ne contiendra donc que de la chaleur sensible .
En règle générale la plupart des centrales nucléaires fonctionne à condensation des turbines à vapeur à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage à haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est une vapeur presque saturée – x = 0,995 – point C sur la figure) d’un générateur de vapeur et l’évacue vers un séparateur-réchauffeur d’humidité (point D). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter des dommages pouvant être causés aux aubes de turbine à vapeur par de la vapeur de qualité inférieure. Le réchauffeur réchauffe la vapeur (point D), qui est ensuite dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (points E à F). La vapeur évacuée est à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique et se trouve dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité voisine de 90%.
Enthalpie spécifique de vapeur humide
L’ enthalpie spécifique de l’eau liquide saturée (x = 0) et de la vapeur sèche (x = 1) peut être extraite des tables de vapeur. En cas de vapeur humide , l’ enthalpie réelle peut être calculée avec la qualité de la vapeur x et les enthalpies spécifiques d’eau liquide saturée et de vapeur sèche:
h humide = h s x + (1 – x) h l
où
h wet = enthalpie de vapeur humide (J / kg)
h s = enthalpie de vapeur «sèche» (J / kg)
h l = enthalpie d’eau liquide saturée (J / kg)
Comme on peut le constater, la vapeur humide aura toujours une enthalpie inférieure à la vapeur sèche.
Entropie spécifique de vapeur humide
De même, l’entropie spécifique de l’eau liquide saturée (x = 0) et de la vapeur sèche (x = 1) peut être choisie dans les tables de vapeur. En cas de vapeur humide, l’entropie réelle peut être calculée avec la qualité de la vapeur, x, et les entropies spécifiques de l’eau liquide saturée et de la vapeur sèche:
s humide = s s x + (1 – x) s l
où
s humide = entropie de vapeur humide (J / kg K)
s s = entropie de vapeur «sèche» (J / kg K)
s l = entropie d’eau liquide saturée (J / kg K)
Volume spécifique de vapeur humide
De même, le volume spécifique d’eau liquide saturée (x = 0) et de vapeur sèche (x = 1) peut être sélectionné dans les tables à vapeur. En cas de vapeur humide, le volume spécifique réel peut être calculé avec la qualité de la vapeur, x, et les volumes spécifiques d’eau liquide saturée et de vapeur sèche:
v humide = v s x + (1 – x) v l
où
v humide = volume spécifique de vapeur humide (m 3 / kg)
v s = volume spécifique de vapeur «sèche» (m 3 / kg)
v l = volume spécifique d’eau liquide saturée (m 3 / kg)
Exemple:
Un étage haute pression de turbine à vapeur fonctionne à l’état stable avec des conditions d’entrée de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (point C). La vapeur sort de cet étage de turbine à une pression de 1,15 MPa, 186 ° C et x = 0,87 (point D). Calculez la différence d’enthalpie entre ces deux états.
L’enthalpie pour l’état C peut être prélevée directement dans les tables de vapeur, tandis que l’enthalpie pour l’état D doit être calculée en utilisant la qualité de la vapeur:
h 1, humide = 2785 kJ / kg
h 2, humide = h 2, s x + (1 – x) h 2, l = 2782. 0,87 + (1 – 0,87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg
Δh = 262 kJ / kg
Qualité de vapeur – Fraction de sécheresse
Comme on peut le voir sur le diagramme de phase de l’eau , dans les régions à deux phases (par exemple à la frontière des phases vapeur / liquide), la spécification de la température seule définira la pression et la pression spécifie la température. Mais ces paramètres ne définiront pas le volume et l’enthalpie car il faudra connaître la proportion relative des deux phases présentes.
La fraction massique de la vapeur dans une région liquide-vapeur à deux phases est appelée la qualité de la vapeur (ou fraction de sécheresse), x , et elle est donnée par la formule suivante:
La valeur de la qualité varie de zéro à l’unité . Bien que définie comme un rapport, la qualité est souvent donnée en pourcentage. De ce point de vue, nous distinguons trois types de vapeur de base. Il faut ajouter, à x = 0, on parle d’état liquide saturé (monophasé).
Cette classification de la vapeur a ses limites. Tenez compte du comportement du système chauffé à la pression, qui est supérieure à la pression critique . Dans ce cas, il n’y aurait pas de changement de phase du liquide à la vapeur. Dans tous les États, il n’y aurait qu’une seule phase. La vaporisation et la condensation ne peuvent se produire que lorsque la pression est inférieure à la pression critique. Les termes liquide et vapeur ont tendance à perdre leur signification.
Voir aussi: Saturation
Voir aussi: Limitation de la vapeur
Propriétés de Steam – Steam Tables
L’eau et la vapeur sont un fluide commun utilisé pour l’échange de chaleur dans le circuit primaire (de la surface des crayons combustibles au flux de liquide de refroidissement) et dans le circuit secondaire. Il est utilisé en raison de sa disponibilité et de sa capacité thermique élevée, tant pour le refroidissement que pour le chauffage. Il est particulièrement efficace pour transporter la chaleur par vaporisation et condensation de l’eau en raison de sa très grande chaleur latente de vaporisation .
Un inconvénient est que les réacteurs à eau modérée doivent utiliser un circuit primaire à haute pression pour maintenir l’eau à l’ état liquide et pour atteindre une efficacité thermodynamique suffisante. L’eau et la vapeur réagissent également avec les métaux que l’on trouve couramment dans les industries comme l’acier et le cuivre, qui sont oxydés plus rapidement par l’eau et la vapeur non traitées. Dans presque toutes les centrales thermiques (charbon, gaz, nucléaire), l’eau est utilisée comme fluide de travail (utilisé en boucle fermée entre la chaudière, la turbine à vapeur et le condenseur) et le liquide de refroidissement (utilisé pour échanger la chaleur perdue vers un plan d’eau). ou l’emporter par évaporation dans une tour de refroidissement).
L’eau et la vapeur sont un milieu commun car leurs propriétés sont très connues . Leurs propriétés sont tabulées dans ce qu’on appelle des « tables de vapeur ». Dans ces tableaux, les propriétés de base et clés, telles que la pression, la température, l’enthalpie, la densité et la chaleur spécifique, sont présentées sous forme de tableau de la courbe de saturation vapeur-liquide en fonction de la température et de la pression. Les propriétés sont également présentées sous forme de tableau pour les états monophasés ( eau comprimée ou vapeur surchauffée) sur une grille de températures et de pressions allant jusqu’à 2000 ºC et 1000 MPa.
D’autres données complètes et faisant autorité peuvent être trouvées sur la page du NIST Webbook sur les propriétés thermophysiques des fluides.
Voir aussi: Tables Steam
Référence spéciale: Allan H. Harvey. Propriétés thermodynamiques de l’eau, NISTIR 5078. Extrait de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm
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